吊桥实例分析之塔克马桥的坍塌与重建[详细]

收费：3美元（东行） 塔科马海峡大桥位于美国华盛顿 州的塔科马海峡。第一座塔科马海峡 大桥，绰号舞动的格蒂，于1940年7月 1日通车，四个月后戏剧性地被微风摧 毁。重建的大桥于1950年通车，2007
年，新的平行桥通车。
东行桥 1998年，华盛顿州几个县的选
民通过了一项议案，决定建造一座 新的大桥。2007新的大桥(新桥主桥 长1646m、主跨853m)将是一座东行 桥，与原先的大桥平行，2002年10 月4日开工，2007年7月竣工，建成 后，原先的大桥将只作为西行桥使 用。华盛顿州交通部收取每车次3美 元过桥费以收回建造成本。而原先 的西行桥从1965年起就免收过桥费， 未来也将如此。新的大桥也第一次 安装了新型“Good To Go”电子收 费系统。
吊桥实例分析之塔克马桥的 坍塌与重建
【塔科玛桥风毁事故与卡门涡街】 Tacoma Narrows Bridge
一座雄伟的单跨桥，居然被一 阵并不太大的风吹得像波浪一 样起伏，还带有一些摇晃。更 离奇的是，居然有段年代久远 的录像详细地记录了1940年11 月7日，当时享有世界单跨桥 之王的塔科马大桥被风吹垮、 坍塌的全部过程。
人们在调查这一事故收集历史资料时惊异地发现：从1818年到19世纪末， 由风引起的桥梁振动己至少毁坏了11座悬索桥。塔科马海峡吊桥倒塌后第二天， 华盛顿州州长宣布该座吊桥的设计牢靠，计划按同样设计重建。冯·卡门觉得 此事不妥，便觅来一个塔科马海峡吊桥模型带回家中，放在书桌上，开动电扇 吹风，模型开始振动起来，当振动频率达到模型的固有频时，发生共振，模型 振动剧烈。果然不出所料，塔科马海峡吊桥倒塌事件的元凶，正是卡门涡街引 起桥梁共振。其后冯·卡门令助手在加州理工学院风洞内，进一步测试塔科马 海峡吊桥模型，取得数据，然后发一份电报给华盛顿州州长：“如果按旧设计 重建一座新桥，那座新桥会一模一样的倒塌”。
西行桥 现在的西行桥以开放的桁架和加固的支柱设计并重建，并且开设通风孔让风通过。它
于1950年10月14日通车，全长5979英尺（1822米）——比原先的桥长40英尺（12米）。它 和与之平行的东行桥共同组成了目前美国第五长的悬索桥。因为造成前桥坍塌的共振问题 已经被新设计所解决，所以当地居民给予了大桥新的绰号——“强健的格蒂”。当西行桥 刚造好时，它是世界第三大悬索桥。像其它现代悬索桥一样，西行桥由尖锐的钢板而不是 原先平边钢板建成。大桥的设计日车流量为6万辆次。建成后，它东西两向同时通车，直到 东行桥于2007年7月15日正式通车。
使用浅支撑梁的决定最终在不久的将来被证明是造成桥梁坍塌 的重要原因。8英尺（2.42米）的支撑梁并不足以使路基拥有足够 的刚度，从而使大桥经不住风的侵袭。从一开始，大桥的振动就使 之声名狼藉。轻度至中度的风就可以导致大桥来回摇摆，中心的摆 动可达每4到5秒几英尺。因此大桥被当地居民起绰号叫“舞动的格 蒂”。司机在桥上行驶可以明显感觉到桥的摆动，振动吸引许多人 驱车前往，享受这奇妙的感觉。
▪原先的建设规划25英尺深（7.6米）的钢梁增加刚度，莫伊塞夫— —著名的金门大桥的受尊敬的设计师和顾问工程师，建议采用8英 尺（2.4米）深的浅支持梁。他的方案使钢梁变窄，并且使大桥更 优雅，更具观赏性，同时也降低到建造成本。最终莫伊塞夫的设计 方案胜出。1938年6月23日，联邦政府公共工程管理处批准了600多 万美元的拨款用来建造塔科马海峡大桥。另外160万美元将通过收 税筹集，最终的建造成本为800万美元。
【大桥的坍塌】
大桥被风吹垮发生于美国太平洋时间1940年11月7日上午11时。 11月7日上午10点，风速增加到每小时64公里，大桥开始歪扭、翻腾，桥基
被拖得歪来歪去，左右摆动达45度，最后，随着震耳欲聋的巨响，一头栽进了海 峡。
11月7日凌晨7点，顺峡谷刮来的风带着人耳不能听到的振荡，激起了大桥本 身的谐振。在持续3个小时的大波动中，整座大桥上下起伏达1米多。10点时振动 变得更加强烈，幅度之大令人难以置信。数千吨重的钢铁大桥像一条缎带一样以 8.5米的振幅左右来回起伏飘荡。桥面振动形成了高达数米的长长波浪，在沉重 的结构上缓慢爬行，从侧面看就像是一条正在发怒的巨蟒。
幸运的是在大桥坍塌事故中没有人失去生命。
1940年11月28日，美国海军水文办公室报告说，大桥残骸位于北纬47 °16'， 西经122 °33'，水深180英尺（55米）处。沉没的大桥残骸编号92001068， 被登记在国家历史地点记录册中。水下的残骸现在已经作为一座人工礁石被 保护起来。
大桥最终被摧毁的画面被当地照相馆的老板巴尼·埃利奥特（Barney Elliott）拍摄了下来。1998年，塔科马海峡大桥的坍塌视频被美国国会图书 馆选定保存在美国国家电影登记处，这段震撼人心的视频被誉为“在文化、 历史和审美学方面有着重要意义”。这段珍贵的电影胶片目前仍然对学习工 程学、建筑学和物理学的学生起着警示的作用。
里奥纳德·科茨沃斯（Leonard Coatsworth）在桥梁坍塌事故发生 时成功地逃离，以下是他的报告：“当我刚驾车驶过塔桥时，大桥开始来回剧烈 晃动。当我意识到时，大桥已经严重倾斜，我失去了对车的控制。此时我马上刹 车并弃车逃离。我耳边充斥着混凝土撕裂的声音。而汽车在路面上来回滑动。大 部分的时候我靠手和膝盖爬行，我爬到500码（450米）外的大桥塔楼我呼吸急促， 膝盖都磨破流血了，双手上满是瘀伤。最后我使出最后的力气跳到了安全地带， 在收费口回头望去，我看到大桥彻底被摧毁的一幕，我的车也随着大桥一起坠入 了海峡。”
重建后塔克马大桥
公路：华盛顿州16号干线 地点：塔科马海峡（Tacoma Narrows）
连接：塔科马（Tacoma）至吉格 港（Gig Harbor）
昵称：强健的格蒂（Sturdy Gertie）
桥梁形式：双悬索桥 主跨：2800英尺（853米） 全长：5979英尺（1822米） 通航净空：187.5英尺（ 57.15米） 通车日期：1950年10月14日（西 行）பைடு நூலகம்2007年7月15日（东行）
造栈桥的提议，但20世纪20年代人们才达成一致意见，建造计划最终 在1937年得以继续，华盛顿州立法机关制定了华盛顿州的桥梁税并拨 款5000美元研究塔科马市和皮尔斯县对塔科马海峡建桥的需求。
从一开始，资金问题就是最大的问题，拨款并不足以支付建桥成 本。但是大桥的建设却得到了美国军方的大力支持，大桥的建成将大 大方便海军在布雷默顿的造船厂和陆军在塔科马的军事基地的交通。
理解塔科马大桥事件的原因，可以说只有在严谨的数学分析下， 结合空气动力学和系统结构学才能完全搞清楚。在以后的研究和工程实 践中，建筑结构工程界和航空工程界借鉴塔科马大桥的失败经验，进一 步完善了空气动力学。这对以后研究解决桥梁的风振问题提供了很好的 借鉴。
故事是令人震撼的背后的教训也是深刻的。虽然后续桥梁工程实 施的质量无可挑剔，但该桥设计使用了全新的架构，并且该架构没有经 过实践的检验，从而导致最终桥梁崩溃性灾难的发生。人类所有工程领 域的进步都是建立在这样一系列失败的基础之上，并逐渐走向成熟和成 功。
华盛顿州的工程师克拉克·艾尔德里奇（Clark Eldridge）提出 一个初步计划，桥梁必须通过严格的实验并使用常规设计，资金则由 联邦政府公共工程管理处（PWA）拨款一千一百万美元。但是来自纽约 的工程师莱昂·莫伊塞夫（Leon Moisseiff）上书联邦政府公共工程 管理处，认为他可以花更少的钱建桥。
1940年11月7日，美国华盛顿州塔科马桥因风振致毁。该桥主跨长 853.4m，全长1810.56m，桥宽11.9m，而梁高仅1.3m。通过两年时间的 施工，于1940年7月1日建成通车。但由于当时人们对柔性结构在风作用 下的动力响应的认识还不深入，该桥的加劲梁型式极不合理（板式钢 梁），导致在中等风速(19m/s)下结构就发生破坏。幸好在桥梁破坏之 前封闭了交通。据说，在出事当天，一位记者把车停在桥上，并把一条 狗留在车内。桥倒塌时，只有他本人跑到了桥台处。
州长设立一个塔科马海峡吊桥倒塌事件考察小组，冯·卡门系成员之 一。经一番争论，冯·卡门终于说服当时不懂空气动力学知识的桥梁设计师， 在建新桥之前，先将桥梁模型进行风洞测试。会议决定采用新的设计避免卡门 涡街对桥梁引起的祸害。
现有塔科马海峡吊桥
現有及加建中的橋樑
【曾经的塔科马海峡大桥】
昵称：舞动的格蒂（Galloping Gertie） 桥梁形式：悬索桥 主跨：2800英尺（853米） 全长：5000英尺（1524米） 通航净空：195英尺（59.4米） 通车日期：1940年7月1日 坍塌日期：1940年11月7日 人们希望在这里建桥的愿望可以追溯到1889年为北太平洋铁路建
11点10分，正在桥上观测的一位教授保证说：“大桥绝对安全。”可话音刚 落，大桥就开始断裂。就在一瞬间，桥上承受着大桥重量的钢索猝然而断。大桥 的主体从天而降，坠落进万丈深渊。桥上的各种构件像巨人手中的玩具一样飞旋 而去。当时正在桥中央的一名记者赶忙钻出汽车，拼命抓住桥边的栏杆，用手和 膝盖爬行着脱了险。整座大桥坍塌了，车里的小狗和汽车一起从桥上掉落，成为 这次事故的牺牲者。
当地的报纸以简洁的标题对这场事故作了报道， “损失：一座 桥、一辆汽车、一条狗”。
1940年，美国华盛顿州的塔科玛峡谷上花费640万美元，建造了一座主跨度 853.4米的悬索桥。建成4个月后，于同年11月7日碰到了一场风速为19米/秒的 风。虽风不算大，但桥却发生了剧烈的扭曲振动，且振幅越来越大（接近9米）， 直到桥面倾斜到45度左右，使吊杆逐根拉断导致桥面钢梁折断而塌毁，坠落到 峡谷之中。当时正好有一支好莱坞电影队在以该桥为外景拍摄影片，记录了桥 梁从开始振动到最后毁坏的全过程，它后来成为美国联邦公路局调查事故原因 的珍贵资料。